[0001] Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer mindestens eine Abwärmefunktionseinheit
aufweisenden Antriebseinrichtung und mit einem Betriebsmittelspeicher, gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art sind bekannt. Zum korrekten Betreiben der
Antriebseinrichtung, beispielsweise in Form eines Verbrennungsmotorsystems und/oder
eines Brennstoffzellensystems, muss der Betriebsmittelspeicher beziehungsweise das
Betriebsmittel erwärmt werden, um selbiges (beispielsweise Kohlenwasserstoff oder
Wasserstoff) zum Antrieb beziehungsweise zum Betreiben des Kraftfahrzeugs nutzen zu
können. Bisher erfolgte die Betriebsmittelerwärmung in einem gattungsgemäßen Kraftfahrzeug
auf verhältnismäßig aufwendige Weise.
[0003] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art vorzuschlagen,
bei welchem eine hinreichende und relativ einfache Betriebsmittelerwärmung möglich
ist.
[0004] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist das Kraftfahrzeug dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelspeicher
zur Betriebsmittelerwärmung mit der Abwärmefunktionseinheit wenigstens zeitweise wirkverbunden
ist. Mittels Nutzung bereits im Kraftfahrzeug vorliegender Abwärme zur Betriebsmittelerwärmung
kann unter verhältnismäßig geringem Aufwand der Betriebsmittelspeicher auf eine erwünschte
Betriebstemperatur erwärmt werden. Hierdurch ist es gegebenenfalls möglich, den Einsatz
weiterer, speziell zur Betriebsmittelerwärmung im Kraftfahrzeug vorzusehender Erwärmungseinheiten
wenigstens zu reduzieren oder gar vollständig auf einen solchen verhältnismäßig aufwendigen
Einsatz zu verzichten.
[0005] Mit Vorteil ist die Abwärmefunktionseinheit ein Abgasführungssystem. Zusätzlich oder
alternativ kann die Abwärmefunktionseinheit ein Kühlkreislaufsystem sein. Da bereits
Betriebsmittelspeicher-Temperaturen unter 100°C zum korrekten Betreiben desselben
Betriebsmittelspeichers gegebenenfalls ausreichen können, sind in einem Kraftfahrzeug
zum Einsatz kommende, gegebenenfalls unterschiedliche Abwärmefunktionseinheiten als
entsprechende Wärmequelle diesbezüglich nutzbar.
[0006] Entsprechend einer möglichen Ausführungsform kann die Abwärmefunktionseinheit Teil
eines Verbrennungsmotorsystems und/oder Teil eines Brennstoffzellensystems sein. Dementsprechend
kann der Betriebsmittelspeicher zur Betriebsmittelbeaufschlagung mit einem Verbrennungsmotor
und/oder mit einer Brennstoffzelleneinheit verbunden sein. Ferner kann das Betriebsmittel
ein Kraftstoff, insbesondere Kohlenwasserstoff (biogener Kraftstoff), oder Wasserstoff
sein. Dies erlaubt, Kraftstoff und/oder Wasserstoff nach deren betriebsgünstigen Erwärmung
auf eine insbesondere vorgebbare Betriebstemperatur in den Verbrennungsmotor und/oder
entsprechend vorgewärmten Wasserstoff in die Brennstoffzelleneinheit zuzuführen.
[0007] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Betriebsmittelspeicher als Druckspeicher
oder als Kryo-Speicher oder als Metallhydridspeicher ausgebildet. Bei diesen Betriebsmittelspeichertypen
sind lediglich geringe Mengen an Wasserstoff im Kraftfahrzeug zu speichern. Der Wasserstoff
dient dabei als Betriebsmittel zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit. Metallhydridspeicher
sind aufgrund ihrer verhältnismäßig geringen Leistungsdichte derzeit in einem Kraftfahrzeug
lediglich für relativ geringe Speicherinhalte an Betriebsmittel (Wasserstoff) geeignet.
Sie werden unter Druck mit gasförmigem Wasserstoff betankt, müssen aber erwärmt werden,
um Wasserstoff-Moleküle aus der atomaren Struktur des Metallgitters wieder herauslösen
zu können. Auch Kryo-Speicher benötigen eine externe Zufuhr von thermischer Energie
zur kontrollierten Abgabe des gespeicherten Wasserstoffs. Kryo-Speicher enthalten
Flüssigwasserstoff, der vorzugsweise unmittelbar nach seiner Entnahme aus dem Speicher
verdampft wird, so dass er anschließend auf verhältnismäßig einfache Weise ohne Phasenwechsel
beispielsweise einem Verbrennungsmotor zugeführt werden kann.
[0008] Vorzugsweise ist der Betriebsmittelspeicher unter Zwischenschaltung mindestens eines
Wärmetauschers mit der Abwärmefunktionseinheit verbunden. Mittels mindestens eines
Wärmetauschers kann auf wirkungsgradgünstige und gegebenenfalls flexible Weise eine
hinreichende Betriebsmittelerwärmung erfolgen.
[0009] Mit Vorteil ist der Betriebsmittelspeicher zusätzlich mit einem Latentwärmespeicher
als Wärmequelle wenigstens zeitweise wirkverbunden. Der Latentwärmespeicher kann beispielsweise
bei einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors und/oder einer Brennstoffzelleneinheit
des Kraftfahrzeugs nicht hinreichend vorliegende Abwärme zu einer Betriebsmittelerwärmung
effektiv nutzen, so dass eine Kaltstartphase effektiv überbrückt werden muss, in dem
wenigstens während eines Kaltstarts des Verbrennungsmotors und/oder der Brennstoffzelleneinheit
wenigstens bis zu dem Zeitpunkt, ab welchem die Abwärmefunktionseinheit hinreichend
Abwärme zur Betriebsmittelerwärmung liefert, mittels des Latentwärmespeichers eine
schnelle und zuverlässige Betriebsmittelerwärmung erfolgt. Mittels der unmittelbar
bei Bedarf übertragbaren Latentwärme wird somit die Bereitstellungszeit des Betriebsmittels
für den Verbrennungsmotor und/oder für die Brennstoffzelleneinheit bei Kaltstart erheblich
reduziert.
[0010] Vorzugsweise ist der Latentwärmespeicher in einem Betriebsmittelkreislauf des Betriebsmittelspeichers
integriert. Dies erlaubt eine kompakte Ausgestaltung des Verbrennungsmotorsystems
und/oder des Brennstoffzellensystems sowie eine wirkungsgradgünstige Wärmeübertragung
von Latentwärme auf den Betriebsmittelspeicher insbesondere dann, wenn das Abgasführungssystem
(Abgasstrang) und/oder das Kühlkreislaufsystem des Kraftfahrzeugs bei einem Kaltstart
eine merkliche Aufheizzeit benötigen, um eine hinreichende Betriebsmittelerwärmung
gewährleisten zu können.
[0011] Vorteilhafterweise ist die Brennstoffzelleneinheit als Hilfsenergie-Bereitstellungseinheit
ausgebildet. Der Einsatz einer derartigen Brennstoffzelleneinheit bietet sich insbesondere
zur Deckung des ständig steigenden Bedarfs an elektrischer Leistung im Kraftfahrzeug
an. Dabei ist eine Stromerzeugung mittels der Brennstoffzelleneinheit weitaus wirkungsgradgünstiger
als mittels einer vom Verbrennungsmotor angetriebenen Lichtmaschine. Der Einsatz einer
Hilfsenergie-Bereitstellungseinheit in Form einer Brennstoffzelleneinheit ist insbesondere
in Oberklassefahrzeugen, die eine Vielzahl von Stromverbrauchern an Bord haben, effektiv.
[0012] Die Brennstoffzellen können als Membran- oder als Festoxidbrennstoffzellen ausgebildet
sein. Derartige Brennstoffzellen sind an sich bekannt und werden zur Erzeugung von
elektrischem Strom mit Wasserstoff betrieben. Membranbrennstoffzellen werden auch
als PEM-Brennstoffzellen und Festoxidbrennstoffzellen auch als SOFC-Brennstoffzellen
bezeichnet.
[0013] Vorteilhafterweise ist eine Regeleinheit vorgesehen zur Regelung der Wärmeeinbringung
in einen Betriebsmittelkreislauf des Betriebsmittelspeichers in Abhängigkeit der jeweils
geforderten elektrischen Brennstoffzellenlast. Dies ermöglicht die Gewährleistung
einer hinreichenden und schnellen Versorgung der Brennstoffzelleneinheit beziehungsweise
der Brennstoffzellen mit Betriebsmittel (insbesondere Wasserstoff) aus dem Betriebsmittelspeicher.
[0014] Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist der Latentwärmespeicher wenigstens
zeitweise zusätzlich mit den Brennstoffzellen zur Kaltstartaufheizung derselben wirkverbunden.
Dies kann beispielsweise mittels Kopplung des Brennstoffzellenkühlkreislaufs mit dem
Betriebsmittelkreislauf des Betriebsmittelspeichers erfolgen, so dass Latentwärme
-gegebenenfalls zusätzlich und/oder gleichzeitig zur Betriebsmittelerwärmung- auch
zum Aufheizen der Brennstoffzellen genutzt werden kann.
[0015] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
[0016] Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, das
mit einer Abwärmefunktionseinheit eines Verbrennungs-motors wirkverbunden ist;
- Figur 2
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß
einer alternativen Ausführung, und
- Figur 3
- eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungs-motorsystems gemäß
einer weiteren, alternativen Ausführungsform.
[0017] Die Figur 1 zeigt ein Verbrennungsmotorsystem 10 eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt),
das mit einem Brennstoffzellensystem 12 verbunden ist. Das Verbrennungsmotorsystem
10 enthält einen mit Kraftstoff (Pfeil 15) beaufschlagbaren Verbrennungsmotor 11,
der als Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs dient. Das Brennstoffzellensystem 12 weist
eine Brennstoffzelleneinheit 13 auf, welche die Funktion einer Hilfsenergie-Bereitstellungseinheit
hat und zur im Vergleich zu einer mittels des Verbrennungsmotors 11 angetriebenen
Lichtmaschine wirkungsgradgünstigeren Stromerzeugung im Kraftfahrzeug dient. Das Brennstoffzellensystem
12 weist einen Betriebsmittelspeicher 14 auf, der beispielsweise als Druckspeicher
oder als Kryo-Speicher oder als Metallhydridspeicher ausgebildet sein kann. Der Betriebsmittelspeicher
14 ist gemäß Pfeil 19 mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellen 26 der Brennstoffzelleneinheit
13 verbunden. Die Brennstoffzellen 26 sind vorzugsweise als Membran- oder Festoxidbrennstoffzellen
ausgebildet und werden auf an sich bekannte Weise mit Wasserstoff als Betriebsmittel
betrieben. Zur Gewährleistung einer hinreichenden Wasserstoffversorgung der Brennstoffzellen
26 mittels des Betriebsmittelspeichers 14 (H
2-Speicher) wird Abwärme eines verbrennungsmotorischen Antriebsstranges zum Betreiben
des Betriebsmittelspeichers 14 genutzt.
[0018] Im Falle eines Metallhydridspeichers 14 wird selbiger unter Druck mit gasförmigen
Wasserstoff betankt. Dabei muss der Metallhydridspeicher 14 erwärmt werden, um H
2-Moleküle aus der atomaren Metallgitterstruktur auszulösen. Die hierzu notwendige
Wärme wird vorteilhafterweise aus dem konventionellen Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs
ausgekoppelt. Es erfolgt dabei eine Betriebsmittelerwärmung im Metallhydridspeicher
14 mittels mindestens einer verbrennungsmotorischen Abwärmefunktionseinheit 16, welche
mit dem Metallhydridspeicher 14 zu diesem Zweck wenigstens zeitweise wirkverbindbar
ist. Dabei kann die Abwärmefunktionseinheit 16 ein Kühlkreislaufsystem 18 der Kraftfahrzeug-Antriebseinheit
(Verbrennungsmotor 11) und/oder ein Abgasführungssystem 20 des Verbrennungsmotors
11 sein. Im in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Abwärmenutzung
aus dem Abgasführungssystem 20 zur Betriebsmittelerwärmung im Metallhydridspeicher
14 unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers 22. Das Abgas kann anschließend gemäß
Pfeil 17 einer weiteren, nicht in Figur 1 dargestellten Funktionseinheit des Kraftfahrzeugs
zugeführt werden.
[0019] Der Metallhydridspeicher 14 ist zusätzlich mit einem Latentwärmespeicher 24 als Wärmequelle
zur Betriebsmittelerwärmung wenigstens zeitweise wirkverbindbar. Mittels des Latentwärmespeichers
24 wird somit Latentwärme gemäß den Pfeilen 25 zur Betriebsmittelerwärmung genutzt.
Der Latentwärmespeicher 24 dient insbesondere dazu, während einer Kaltstartphase des
Verbrennungsmotors 11, bei welcher eine verbrennungsmotorische Abwärme nicht oder
wenigstens nicht hinreichend zur Betriebsmittelerwärmung genutzt werden kann, die
zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheit 13 erforderliche Wärme schnell zur Verfügung
zu stellen. Dabei kann die Latentwärme des Latentwärmespeichers 24 zum Betreiben des
Metallhydridspeichers 24 (Pfeile 25) und/oder zum Aufwärmen der Brennstoffzellen 26
(Pfeil 34) wenigstens zeitweise zugeschaltet werden. Dies ermöglicht die Deckung von
angeforderter elektrischer Energie im Kraftfahrzeug bereits beim Starten (auch beim
Kaltstarten) des Kraftfahrzeugs. Die hierdurch erzielbare schnelle Einsetzbarkeit
der Brennstoffzelleneinheit 13 erlaubt eine verhältnismäßig geringe Auslegung des
Energieinhalts eines zusätzlichen Permanentspeichers (zum Beispiel einer Batterie)
des Kraftfahrzeugs zur Überbrückung einer jeweiligen Startphase, insbesondere Kaltstartphase.
Die sofortige Verfügbarkeit der Latentwärme zur Vorwärmung der Brennstoffzellen 26
verkürzt die Übergangszeit, nach welcher der einsetzende elektrochemische Brennstoffzellenprozess
eine selbständige Aufheizung der Brennstoffzellen 26 (Brennstoffzellenstapel) ermöglicht.
[0020] Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist ferner eine Regeleinheit 28
vorgesehen insbesondere zur Regelung der Wärmeeinbringung in den Betriebsmittelkreislauf
des Betriebsmittelspeichers 14 (beispielsweise Metallhydridspeicher) in Abhängigkeit
der jeweils geforderten elektrischen Brennstoffzellenlast. Darüber hinaus kann die
Regeleinheit 28 mit weiteren Funktionseinheiten des Verbrennungsmotorsystems 10 und/oder
des Brennstoffzellensystems 12 operativ verbunden sein (Pfeile 30,32).
[0021] Die Figuren 2 und 3 zeigen alternative Ausführungsformen eines möglichen Einsatzgebietes
eines Betriebsmittelspeichers in einem Kraftfahrzeug sowie einer möglichen Abwärmenutzung
zur Erwärmung des Betriebsmittelspeichers beziehungsweise des Betriebsmittels auf
eine erwünschte Betriebstemperatur.
[0022] Figur 2 zeigt einen Betriebsmittelspeicher 14 eines Brennstoffzellensystems 12, der
als Wasserstoffspeicher ausgebildet ist und gemäß Pfeil 19 mit einer Brennstoffzelleneinheit
13 zu deren Wasserstoffbeaufschlagung in Verbindung steht. Die Brennstoffzelleneinheit
13 wird mittels eines Verdichters 38 mit mindestens einem weiteren Betriebsstoff gemäß
Pfeil 15 beaufschlagt und dient zur Erzeugung von elektrischem Strom, der zum Betrieben
eines Elektromotors 36 genutzt wird. Das gemäß Pfeil 17 abzuführende Brennstoffzellenabgas
wird wenigstens zeitweise unter Zwischenschaltung eines Wärmetauschers 22 zur Erwärmung
des Betriebsmittelspeichers 14 beziehungsweise des in die Brennstoffzelleneinheit
13 zuzuführenden Betriebsmittels (Wasserstoff) genutzt.
[0023] Figur 3 zeigt einen Betriebsmittelspeicher 14 eines Verbrennungsmotorsystems 10,
der als Wasserstoffspeicher und/oder als Wasserkohlenstoffspeicher ausgebildet sein
kann und mit einem Verbrennungsmotor 11 zur dessen Betriebsmittelbeaufschlagung gemäß
Pfeil 21 in Verbindung steht. Der Verbrennungsmotor 11 wird zusätzlich mit einem Kraftstoff
entsprechend Pfeil 15 beaufschlagt. Gemäß Figur 3 wird nicht -wie in Figur 1- ein
Abgasführungssystem 20, sondern ein Kühlkreislaufsystem 18 unter Zwischenschaltung
eines Wärmetauschers 22 zur Erwärmung des Betriebsmittels des Betriebsmittelspeichers
14 genutzt. Das Verbrennungsmotorabgas wird dabei gemäß Pfeil 17 einer weiteren, nicht
in Figur 3 dargestellten Funktionseinheit des Kraftfahrzeugs zugeführt.
[0024] Erfindungsgemäß sind somit eine Vielzahl an Konzepten denkbar zur Betriebsmittelerwärmung
und gegebenenfalls kombinierten Brennstoffzellenvorwärmung in einem Kraftfahrzeug.
Es können unterschiedliche Typen von Antriebssträngen, Brennstoffzellen und/oder Kraftstoffen
in unterschiedlichen Kombinationen zum Einsatz kommen zur Durchführung eines betriebsoptimierten
Abwärmemanagements. Mittels thermischer Integration von ansonsten ungenutzter Abwärme
im Kraftfahrzeug kann eine vorteilhafte Erhöhung des Gesamtsystemwirkungsgrads erzielt
werden. Die Wirkungsgradzunahme resultiert dabei sowohl aus einer effektiveren Betriebsmittel-Speichersteuerung,
als auch bei Einsatz eines Brennstoffzellensystems aus einer höheren Wasserstoff-Zuführtemperatur,
die einen geringeren Energiebedarf zur Durchführung einer anschließenden Brennstoffzellenedukt-Vorwärmung
nach sich zieht. Bei Einsatz eines konventionellen Verbrennungsmotor-Antriebsstrangs
kann ferner auf einen insbesondere elektrischen Betriebsmittelverdampfer verzichtet
werden.
1. Kraftfahrzeug mit einer mindestens eine Abwärmefunktionseinheit aufweisenden Antriebseinrichtung
und mit einem Betriebsmittelspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelspeicher (14) zur Betriebsmittelerwärmung mit der Abwärmefunktionseinheit
(16) wenigstens zeitweise wirkverbunden ist.
2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmefunktionseinheit (16) ein Abgasführungssystem (20) ist.
3. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmefunktionseinheit (16) ein Kühlkreislaufsystem (18) ist.
4. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärmefunktionseinheit (16) Teil eines Verbrennungsmotorsystems (10) und/oder
Teil eines Brennstoffzellensystems (12) ist.
5. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelspeicher (14) zur Betriebsmittelbeaufschlagung mit einem Verbrennungsmotor
(11) und/oder mit einer Brennstoffzelleneinheit (13) verbunden ist.
6. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel ein Kraftstoff, insbesondere Kohlenwasserstoff, oder Wasserstoff
ist.
7. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelspeicher (14) als Druckspeicher oder als Kryo-Speicher oder als
Metallhydridspeicher ausgebildet ist.
8. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelspeicher (14) unter Zwischenschaltung mindestens eines Wärmetauschers
(22) mit der Abwärmefunktionseinheit (16) verbunden ist.
9. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmittelspeicher (14) zusätzlich mit einem Latentwärmespeicher (24) als
Wärmequelle wenigstens zeitweise wirkverbunden ist.
10. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (24) in einem Betriebsmittelkreislauf des Betriebsmittelspeichers
(14) integriert ist.
11. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzelleneinheit (13) als Hilfsenergie-Bereitstellungseinheit ausgebildet
ist.
12. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (26) als Membran- oder als Festoxidbrennstoffzellen ausgebildet
sind.
13. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit (28) vorgesehen ist zur Regelung der Wärmeeinbringung in einem
Betriebsmittelkreislauf des Betriebsmittelspeichers (14) in Abhängigkeit der jeweils
geforderten elektrischen Brennstoffzellenlast.
14. Kraftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher (24) wenigstens zeitweise zusätzlich mit den Brennstoffzellen
(26) zur Kaltstartaufheizung derselben wirkverbunden ist.